二硫化鎢潤滑添加劑摩擦學性能研究現狀

施凱烽 謝 鳳

(空軍勤務學院，江蘇 徐州 221000)

二硫化鎢顆粒是一種新型的潤滑材料，具有優良的抗磨減摩性能，是科學界公認的摩擦潤滑效果最好的原材料之一。二硫化鎢在大氣中的分解溫度為510℃，在539℃時氧化迅速，可在425℃下長期潤滑，在真空中的分解溫度高達1150℃，其抗極壓強度可達到21MPa，且其抗輻射性能要比二硫化鉬、石墨、富勒烯等材料優良，不僅能適應一般的潤滑條件，更是能用于高溫、高壓、高負荷、高真空、腐蝕及輻射性介質等苛刻的工作環境，因此，二硫化鎢一直作為一種高性能固體潤滑材料應用于航空航天、軍事等高科技領域[1,2]。

近年來，國內已有很多科研人員將二硫化鎢顆粒應用于潤滑脂中制備高溫極壓潤滑脂，并取得了極好的效果[3]。與二硫化鎢結構性質相近的二硫化鉬在國外已經廣泛應用于潤滑油中，如美國PetrolMoly公司開發的含二硫化鉬顆粒的節能環保發動機油已被聯合國指定為向成員國推薦的125項新產品、新技術之一，而二硫化鎢的性能要優于二硫化鉬卻少有應用于潤滑油，所以針對其在潤滑油中應用的研究也在逐漸展開[4,5]。本文主要概述了二硫化鎢在潤滑脂及潤滑油中的摩擦學性能研究。

1 二硫化鎢在潤滑脂中的摩擦學性能研究

王勐[6]采用三種粒徑的二硫化鎢顆粒(0.35、0.8、1.5 μm)，分別以三種添加量(1%wt、2%wt、3%wt)加入到復合鈦基潤滑脂中去，攪拌均勻并用三輥研磨機研磨6次制得潤滑脂樣。使用四球磨機測試其摩擦學性能，在392N負載下運轉1 h，記錄拉力值，并通過SEM表征小球磨斑。結果表明，二硫化鎢粒子在高溫情況下能充分體現抗磨效果，且添加量在3%的時候能達到最佳效能。二硫化鎢粒子在潤滑過程中充當了磨粒，在常溫、高轉速、低載荷的情況下，削弱了潤滑脂的粘性，使得形成的油膜不均勻，易被破壞，潤滑效果反而不如純脂，摩擦效果的好壞主要由接觸面間的摩擦狀態決定。若不考慮二硫化鎢粒子對潤滑效果的負面影響，則粒徑越小，潤滑效果越好。

熊文[7]采用新型的一步法制備工藝，添加了多種添加劑，制備出了一種高滴點、良好極壓性和穩定性的高溫二硫化鎢鋰基潤滑脂。通過研究分析得出，添加3%的粒徑為0.3μm的二硫化鎢超細粉末的潤滑脂具有最佳的高溫摩擦學性能，并通過對高溫狀態分析得出其在800℃高溫下仍具有良好穩定性和潤滑性。研究表明，高溫下二硫化鎢的良好潤滑性是由于其在高溫下緩慢氧化形成三氧化鎢，能抑制二硫化鎢的進一步氧化，但會因此影響其抗剪切能力；在一定的范圍內，粒徑越小，抗磨性能越好，但減摩效果會受影響，實驗得出最佳粒徑為0.3μm。

俸顥等[8]以二硫化鎢超細粉末作為添加劑，通過正交實驗，以粒徑為0.5μm，添加量為1.5%研制出一種二硫化鎢高溫潤滑脂。通過相關測試，這種潤滑脂具有高滴點、低摩擦系數、高油膜強度等良好的摩擦學性能。通過掃描電鏡觀察可發現，二硫化鎢超細粉末微觀結構呈片層狀，層面十分光滑，層間易發生滑移，表現出低摩擦系數；同時二硫化鎢晶體在400℃高溫下仍十分穩定，通過緩慢形成致密的氧化鎢保護層，抑制進一步氧化，同時氧化鎢也具有較低的摩擦系數，有效地保護了金屬表面并能阻止發生膠合，表現出良好的潤滑性能。

楊俊等[9]將二硫化鎢固體顆粒(0.3～0.5μm)添加入復合鋰鈣基潤滑脂中，并探討了二硫化鎢與其他添加劑的配合使用。實驗表明，隨著二硫化鎢的增加，潤滑脂的滴點會略有上升，稠度小幅降低，分油量略有上升，這說明了二硫化鎢的加入能提高潤滑脂的熱安定性，但會影響潤滑脂的膠體安定性。隨著二硫化鎢的增加，PB、PD明顯增大，加入量為3%時，效果最好，PB達1186N，PD達4903N，有效提高了潤滑脂的極壓抗磨性能。此外，通過對比分析發現，與單獨使用T321相比，二硫化鎢、二硫化鉬配合使用制得的潤滑脂極壓抗磨性能更加優異；T352與T361配伍再與二硫化鉬、二硫化鎢配合使用也可以制得極壓抗磨性能極為優異的潤滑脂。

石琛等[10]以二硫化鎢亞微粒作為高溫潤滑脂的添加劑，對其在潤滑脂中的摩擦學性能進行亞久，并用電子探針顯微鏡和俄歇電子能譜儀對摩擦表面進行了表征分析。研究表明，添加1.5%二硫化鎢后，潤滑脂的燒結載荷由2 500N上升到4 000N，提高了60%，磨痕直徑由0.86 mm降低到0.56 mm，下降了34.9%。二硫化鎢粒子能有效提高潤滑脂的油膜強度和燒結負荷，磨斑直徑明顯明顯減小，但錐入度略有下降。此外，還對油膜強度PB值進行了測試，結果表明，在高溫尤其是溫度大于150 ℃時，二硫化鎢的添加能顯著提高有膜強度，添加量為1.5%情況下，150 ℃時，油膜強度由基礎脂的696N提高到921N，提高了32.3%，200 ℃時，由649N提高到980N，提高了51.0%。研究人員認為，二硫化鎢加入后，在金屬表面形成一層致密的吸附膜，能有效防止金屬表面的氧化和碳化，并且與摩擦副表面產生摩擦化學反應，生產化學反應膜，從而有效提高了潤滑脂的抗磨減摩和極壓性能。

以上文獻表明，二硫化鎢作為潤滑脂的添加劑加入后，能顯著改善潤滑脂的摩擦學性能，尤其是在高溫下效能更加優異。低溫低負荷時，主要在金屬表面形成吸附膜，使金屬表面更平滑，并能保護金屬表面，而其自身的結構特點能明顯提高潤滑脂潤滑性能；高溫高負荷下，能生成化學反應膜，配合吸附膜，能有效提高潤滑脂的抗磨減摩和極壓性能。

2 二硫化鎢在潤滑油中的摩擦學性能研究

不同于潤滑脂，至今為止，很少有研究人員將二硫化鎢顆粒應用于潤滑油中，主要是因為二硫化鎢顆粒密度較高、尺寸較小、比表面積大、比表面能高且顆粒表面活性高，極易發生很強的團聚現象，限制了其在潤滑油中的應用。但由于其優良的摩擦學性能，針對其在潤滑油中的應用研究也在逐步開展。

國外在此方面的研究起步較早，1966年，Warren等[11]在其專利中發表了合成含有W和S的潤滑劑，此潤滑劑中含有二芳烴鎢化合物WX6-n(OR)6，含量為0.005%-5%，其中 R為含6-18個碳原子的芳基集團，X是Br或Cl，n為1-6，化合物中S以硫醇、硫化鎢、二硫化物等形式存在，含量約為0.05%-5%，受壓力和溫度影響，含有W和S的物質沉積在摩擦副表面。

Powers等[12]也發表了一系列含有鎢的潤滑油添加劑的制備方法。將仲鎢酸銨與水以1∶3-1∶4比例形成飽和固漿，與叔烷基胺有機相接觸，有機相分散于水中，以水溶液為橋梁，將仲鎢酸銨溶解于有機相。溫度為85～100 ℃，接觸時間為3～6 h，有機相與仲鎢酸銨質量比例為3∶1，采用蒸餾去除水相，制得潤滑油添加劑，最終鎢質量分數超過19%，含水量低于1%。此發明合成的產品具有優良的抗磨性和極壓性。

Gregory等[13]通過研究發現：在常溫下，WS2具有極低的摩擦因數，約為0.08,。Baranov等[14]對WS2固體潤滑材料進行深入探討研究，在銅粉中摻入10%的WS2粉末，有效提高了銅粉在高速摩擦條件下的粘附能力并使其得到了穩定的摩擦因數。Murugan等[15]研究發現，無磁性的WS2簇由于其內部的排列順序，能產生一定的磁性，在潤滑過程中更好地吸附在金屬表面。此外，研究還發現了WS2能在金屬表面形成一層納米膜，在摩擦時保護金屬表面。

在我國，鎢系列潤滑油添加劑的發展較為緩慢，主要是對WS2納米材料進行結構修飾及在有機鉬基礎上進行研究。

張金剛等[16]在1993年合成了胺基二異丙基二硫代膦酸鎢，在基礎油中考察其摩擦學性能，并對其表面組成和形貌進行了分析。結果表明，此種添加劑能在摩擦副表面形成化學反應膜，提高潤滑油的摩擦學性能。

熊仁根[17]在1996年用三氧化鎢和3,4-二巰基甲苯合鎢二硫酚合鎢，用四球磨機對極壓性能和抗磨性能進行了研究，結果表明，二硫酚合鎢具有優良的極壓抗磨性能。其機理同樣是化學吸附膜起潤滑作用，在催化條件下，發生一系列化學反應，生成WO3和FeS，起極壓抗磨作用，這與二硫化鎢的抗磨減摩機理相近。

俸夢德[18]將0.3%wt的二硫化鎢顆粒添加入基礎油中制得低含量二硫化鎢潤滑油，并使用四球磨機測試其摩擦學性能。實驗結果表明，在常溫時，二硫化鎢潤滑油的油膜強度比基礎油提升了37.5%；隨著溫度的上升，摩擦因數降低，在100 ℃，372.4N負荷下，二硫化鎢潤滑油的摩擦因數為0.042，比基礎油的0.072降低了43.8%，抗磨減摩效果顯著。

石琛等[19]通過表面化學修飾和吸附修飾表面改性超細二硫化鎢顆粒，將其添加入半合成機油基礎油，并加入適量的功能添加劑，制得二硫化鎢發動機油。通過四球磨機測試其摩擦學性能，并與國內外發動機油進行對比研究發現，該發動機油油膜強度分別為國外發動機油和國內發動機油的1.06倍和1.38倍，燒結負荷分別為1.75和2.33倍。進行長磨實驗發現，摩擦系數隨時間的增長而減小，磨斑直徑明顯減小，且磨斑表面較為光滑，無明顯犁溝。說明制得的二硫化鎢機油具有優秀的抗磨減摩和極壓性能。

李登伶等[20]通過表面化學修飾的自制納米二硫化鎢粉末以1%wt的比例加入汽油機油中制得含二硫化鎢的汽油機油，并進行了發動機模擬臺架試驗，考察了二硫化鎢在發動機內部的表現。研究結果表明，二硫化鎢機油比普通機油的油膜強度提高了21.6%，燒結負荷提高了100%，磨斑直徑減小了11.8%，發動機活塞環的磨損量降低了27.6%。這說明了二硫化鎢機油能顯著延長發動機油的使用壽命和換油周期，此外，在臺架試驗中還發現二硫化鎢機油能有效降低燃油消耗，平均節油13-28%，性能優異。

張俐麗[21]將自制的平均直徑10-15nm，長度0.1-2μm的二硫化鎢納米棒用質量分數為1%的Span-80超聲分散20min到基礎油中，制得不同濃度的二硫化鎢潤滑油，并通過立式萬能摩擦磨損儀考察其摩擦學性能。實驗結果表明，與基礎油相比，添加了二硫化鎢納米棒的潤滑油能顯著提升抗磨性能，降低摩擦因數；添加2%wt二硫化鎢納米棒的潤滑油的磨斑直徑降低了50%，且磨斑平整光滑，無撕裂或者是犁溝現象。二硫化鎢納米棒在摩擦前期起到了“微軸承”的作用，隨著摩擦進行，納米棒被壓平，在摩擦副表面形成保護膜，阻止了摩擦副之間的直接接觸，提高潤滑性能。

由于二硫化鎢的特殊物理性質，其在潤滑油中的應用發展是一個較漫長的過程，國外起步較早，已初步實現了在潤滑油應用，而我國雖起步晚近三十年，但在理論研究上已迅速追趕。二硫化鎢顆粒的加入能明顯延長潤滑油使用壽命，且對節能減排有非常積極的意義。二硫化鎢在潤滑油中起效的機理與在潤滑脂中相似，但必須解決其易團聚的特殊物理性質，現我國采取的表面修飾技術已能初步解決這一問題，但距離實際應用還有一段距離。

3 結 語

二硫化鎢微粒作為一種新型的固體潤滑添加劑具有優異的摩擦學性能，特別在高溫和高負荷情況下能顯著提升潤滑劑的潤滑性能。目前，二硫化鎢在潤滑脂中的應用已較為成熟，能有效改善潤滑脂的抗磨減摩以及極壓性能；在潤滑油中應用時，雖然機理相似，但由于其在潤滑油特殊的物理性質，極大提高了其在潤滑油中的應用難度，找到合適的加工工藝、最佳的表面修飾以及分散方式是目前最迫切的攻關難題。

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